高噴法在處理水庫壩體及涵閘地基中的應用

薛　峰　張　亞　王莉莉（徐州市水利建筑設計研究院　徐州　221000）

高噴法在處理水庫壩體及涵閘地基中的應用

薛峰張亞王莉莉
（徐州市水利建筑設計研究院徐州221000）

高壓旋噴樁技術對土層適應性較強，施工簡單，被廣泛應用于復合地基處理工程，本文結合某水庫失事涵洞地基加固方案，分析高壓旋噴樁及高噴連續墻在加固水庫壩體與涵閘地基上的應用，并探討設計中的相關技術問題。

高壓旋噴樁高噴截滲墻復合地基旋噴樁技術

1　前言

近年來，多頭小直徑水泥土攪拌樁連續墻由于抗滲效果好、工程造價低，在堤壩截滲中得到廣泛應用，但限于設備和工法的原因在與堤壩涵閘結合部位是薄弱環節，而這個部位恰恰是堤壩防滲最重要的部位，既要滿足地基水平防滲要求，又要滿足側向繞滲要求。對于一般低級別的堤壩往往采取密集注漿的方法處理，而對于高等級的堤壩多采用高噴方法連接。本文通過某失事加固工程實例討論高噴連續墻和高壓旋噴樁復合地基聯合處理水庫壩體涵閘地基設計問題。

2　出險工程案例分析

2.1工程簡介

蘇北某水庫位于廢黃河南堤下，是一座以灌溉、養殖為主的平原水庫，庫容340萬m3。水庫大壩為粉砂及少黏性土壩，壩長2700m，壩頂高程36.5～37.2m，壩頂寬6.0～8.2m，最大壩高6.7m；迎水坡、背水坡均為1∶3。水庫大壩2009年進行除險加固，設計加固方案為多頭小直徑水泥土攪拌樁連續墻，兩側近涵洞5.0m處因多頭小直徑水泥土攪拌樁無法施工，故采用注漿銜接。實際施工時涵洞東側20余米及西側30余米左右因土體內有塊石水泥土攪拌樁打不下去，截滲墻無法施工到原設計位置，改用充填注漿銜接，注漿孔間距2.0m，梅花型布置，漿液為普通水泥漿。對于放水涵洞防滲長度不足的問題僅在下游增設水平鋪蓋，沒做垂直截滲處理。2011年10月30日放水涵洞突然坍塌導致大壩潰決，下游3座橋梁被沖垮，引水渡槽沖斷。

2.2工程地質

根據勘探資料揭露，場地內第A層素填土為大壩人工堆填土；第①層粉砂、①-1層淤泥質壤土、②層黏土為第四系全新統地層，沉積時間短，土質相對較松軟，工程地質條件相對較差，其中①層粉砂防滲抗沖能力差，且為地震液化土層；第③層含砂姜黏土為上更新統地層，土質相對較硬，工程地質條件較好。各土層物理力學參數見表1。

表1　土層物理力學參數表

2.3潰壩原因分析

工程破壞現場顯示，潰決口寬約95m，最深沖坑底高程27.00m，壩體斷面可見水泥土攪拌樁截滲墻，上部第①層粉砂土全部被沖毀破壞。場地內①層粉砂為大壩和涵洞地基，該類土為近代黃泛沖洪積物，沉積時間短，結構松散，防滲抗沖能力很差，極易發生滲透變形破壞，破壞形式為管涌。水庫安全鑒定結論為大壩防滲和放水涵洞防滲長度均不夠，大壩采用水泥土攪拌樁截滲墻截滲，涵洞地基僅在下游增加水平護坦無垂直截滲措施，兩側近50多米范圍內無水泥土攪拌樁截滲墻，灌漿后也沒進行質量檢測，是其防滲薄弱部位。綜上，潰壩原因分析為側向繞滲破壞和地基滲透破壞同時發生，管涌造成涵洞兩側填土及地基土流失，導致涵洞洞身塌陷、斷裂，在水壓力作用下涵洞垮塌繼而引起潰壩。

3加固方案必選

涵洞設計流量7.8m3/s，單孔1.3m×1.5m鋼筋混凝土箱式結構，設計底板底高程29.00m，基礎位于①層粉砂上，該層防滲抗能力差且為地震可能液化土層。另外，根據調查，①層土體內有老涵洞殘留部分，此次搶險也有大量碎石等建筑物垃圾拋入該層，導致土體極不均勻，土體中的雜物存在影響地基處理沉樁的可能性。因此，涵洞地基設計同時需要解決承載力、防滲以及地震液化3個問題，特別要考慮新建涵洞洞身與原水庫大壩壩體內截滲墻銜接問題。

根據地質條件和水庫運行工況，涵洞無移位再建的條件，即使移位新建現除險地段仍然要進行地基處理。針對地基條件和場地情況，設計單位提出3種地基處理必選方案。各方案優缺點及在本場地的適宜性對比見表2。設計單位推薦和實施的均為第一方案，即高壓旋噴樁方案。

表2　工程加固方案對比表

4　高壓旋噴樁復合地基設計

4.1樁長估算

涵洞設計底板底高程29.00m，旋噴樁樁端設置0.3m厚褥墊層，現狀沖溝底高程27.00m，設計要求施工時回填黏土至28.70m。從場地內地基土結構來看，第②層黏土隔水性好，可作為截滲墻的依托層，設計樁長進入第②層黏土1.0m（即樁端高程21.70m），形成圍封，就可以解決防滲及地震液化問題，估算樁長為7.0m。根據地區經驗，該樁長單樁承載力也可以滿足要求。典型剖面見圖1。

4.2樁徑確定

高壓旋噴樁的直徑與地層、選定的注漿管類型、噴射壓力、提升速度、旋轉速度有關。目前，旋噴樁樁徑估算多采用查表法。旋噴樁的設計直徑見表3。設計采用三管法施工，旋噴樁設計直徑取1.5m，孔距1.2m，搭接長度≥20cm。

圖1　涵洞設計典型剖面圖

表3　旋噴樁設計直徑表 （單位：m）

4.3承載力估算

4.3.1布樁

重建涵洞基礎設計寬2.1m，涵洞基礎外側各留0.75m，加固塊體寬3.6m，旋噴樁采用三管法施工，設計樁徑1.5m，孔距1.2m，采用三排布樁，整體加固，全部置換。

4.3.2單樁承載力估算

增強體單樁豎向承載力特征值可通過現場單樁載荷試驗確定，初步設計時，可按《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）式7.1.5-3估算：

經估算，單樁豎向承載力特征值為860.8kPa。

4.3.3復合地基承載力估算

復合地基承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定，初步設計時，可按《建筑地基處理技術規范》

經估算，復合地基承載力特征值為389.9kPa，大于設計要求。

4.3.4復合地基褥墊層

根據水工建筑物防滲要求，復合地基褥墊層應采用防滲材料，一般采用水泥土墊層，厚度0.3m，摻量20%，其滲透系數（k）＜a×10-6cm/s（1＜a＜10）。

5　大壩擺噴截滲墻設計

大壩截滲采用高噴截滲墻與原水泥土攪拌樁截滲墻連接，高噴截滲墻與原大壩截滲墻接頭見圖2，主要設計參數：

圖2　擺噴截滲墻與原大壩截滲墻接頭示意圖

（1）考慮壩體與地基均為粉砂、粉土故采用小角度擺噴，擺角10°，噴射方向與設計截滲墻軸線夾角15°，擺噴有效長度取旋噴樁直徑的1.5倍，旋噴樁直徑1.5m，孔距1.2m，搭接長度≥30cm。

（2）高噴強體的滲透系數、抗壓強度與多種因素有關，根據《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T 5200-2004），墻體性能指標為滲透系數小于9×10-6cm/s，抗壓強度R28大于1.5MPa，滲透破壞比降不小于500，允許比降不小于80；高噴墻體為封閉式，截滲墻底進入第②層黏土1.0m，樁頂取35.5m，樁端取21.7m，大壩截滲墻設計樁長13.8m，涵洞處大壩截滲墻設計樁長4.1m。

式中：S—有效墻厚，m；ΔH—墻體兩側水頭差，取6.0m；［J］—允許比降，取80；ηj—系數，可取1.1～1.4，該工程取1.4。經計算需要高噴墻有效厚度為10.5cm，考慮到施工可能帶來的垂直度偏差、施工機械要求、砂層厚度等因素，設計高噴墻厚15cm。

6　質量檢測

高壓旋噴樁復合地基及高壓旋噴樁連續墻完成后按規范要求進行強度、靜載、防滲性、樁長及連續性檢測。

（1）強度檢測：成樁28d后進行，檢驗數量不少于總樁數的1%，采用鉆孔采芯法檢測，測得抗壓強度為1.71～3.25MPa，滿足設計要求。

（2）靜載試驗：旋噴樁復合地基承載力檢驗應采用復合地基載荷試驗和單樁靜載荷試驗，檢驗數量不少于總樁數的1%，且每個單體工程復合地基靜載荷試驗的數量不得少于3臺。經檢驗，復合承載力滿足設計要求。

（3）防滲性檢測：防滲性檢測采用鉆孔注水法檢測，測得滲透系數7.169×10-7～1.01×10-6cm/s，滿足設計要求。

（4）樁長及連續性檢測：高噴樁樁長及墻體連續性檢測采用地質雷達檢測，探測結果顯示，波形同相軸基本連續，未見明顯缺陷特征，墻體總體連續完整；根據雷達波確定的樁頂及底面位置，高噴樁樁長均達到設計要求。

7　結語

通過旋噴樁技術在水庫壩體截滲與涵閘地基加固上的應用，可以看出旋噴樁技術相比水泥土攪拌樁對土層的適應性更強，工程實例表明該技術在土層中含有大量碎石等建筑垃圾的回填土同樣適用。在具體的工程實踐中，設計應根據工程特點及場地條件選擇合理的設計參數，施工完成后，做好質量檢測工作，以保證工程質量■

（專欄編輯：顧梅）